Фамилия Гилемханов образована от восточного мужского имени Гилемхан. Это составное имя восходит к двум основам: «гилем» и «хан». Первая часть, «гилем», переводится с арабского как «наука» или «знание». Вторая часть, «хан», изначально обозначала вождя племени — такой титул был распространён у кочевников Ирана и Афганистана. В составе личных имён «хан» со временем утратил прямое значение правителя и стал почётным компонентом, указывающим на знатность или уважение.

Таким образом, имя Гилемхан можно истолковать как «учёный правитель» или «владыка знаний». Фамилия образована по русской модели с суффиксом -ов, который в данном случае присоединился к основе имени. В тюрко-татарской среде, откуда, скорее всего, происходит фамилия, такие имена давали с пожеланием, чтобы ребёнок сочетал мудрость и лидерство.

Носители фамилии Гилемханов — это потомки человека по имени Гилемхан. Судя по структуре, фамилия могла закрепиться в среде татар или башкир, где арабские заимствования и титул «хан» в именах встречаются часто. Встречается также вариант написания с одной «н» — Гилемханов, но полный вариант с суффиксом -ов указывает на русификацию фамилии в документах XIX–XX веков.